工程师模仿章鱼触手3D打印出软体机器人启动器
近日，美国康奈尔大学（Cornell University）以机械和航空航天助理教授Rob Shepherd为首的一支研究团队，在其最近发表的一篇论文中描述了他们模仿章鱼触手的肌肉特性，成功地3D打印出了一个触手般的致动器。值得注意的是，科学家们在这项研究中使用的关键设备只是一台定制的光固化3D打印机，以及在市场上销售的弹性体树脂。
研究人员们认为，这一创新具有开拓性意义，因为迄今为止柔性与功能性的适当组合还不存在：自由度往往意味着牺牲功能。但是如今康奈尔大学的这群科学家们在《Bioinspiration & Biomimetics》上发表的论文中宣称，这种新的3D打印方法开辟了一系列新的可能性。这项研究得到了美国空军科学研究办公室、3M公司和美国国家科学基金会（NSF）的资助。
据Shepherd教授介绍说，他们的测试表明，这种市售的3D打印材料绝对是机器人工程师的一个可行选择。“根据已有的验证报告和这种材料进一步改进的可能性，可以说这种用来制造软致动器的新兴的打印工艺将来非常适于打造复杂的仿生系统。”他说。遗憾的是，当前制造的技术限制了它创建复杂结构的能力，其中的部分原因也与材料有关。
研究人员的最终目标是将生物有机体的自然功能移植到机器人身上。而在自然界中，很少有动物会像章鱼那样自如地应对各种复杂的环境。“通过模仿生物体的特性，一些可变形的材料如液体、凝胶和弹性体等能够改变机器与环境的相互作用方式。比如受自然的启发，之前有报道软机器人可以模仿章鱼通过微小的裂缝或模仿蚯蚓在不平坦的地形上运动。此外，这些材料平台还具有低成本、易于制造和生物兼容性与许多种类的聚合物相似的有点。”研究人员写道。“理论上，这种弹性材料的可持续变形能力使得这些软机器人系统能够沿其表面向任何地方移动和弯曲。”
而章鱼触手的能力主要来自于其内部三个方向相互垂直的肌肉的特殊排列。“而要实现如此复杂的系统唯一可行的方法就是使用3D打印自下而上地组装这些致动器。通过使用3D打印技术打印弹性材料，软机器人的设计空间将大大增加。”他们说。为此，工程师们打造了一台成本不到1500美元的光固化3D打印机，该机器采用了一种自下而上的数字掩模投影3D打印（dmp-sl）技术，并使用了数字微镜器件以进行光聚合。结果证明，这台机器工作得很好。其控制软件使用的是Envision公司的Creation Workshop，而打印材料同的是从市场上购买的Elastomeric Precursor（EP，Spot-E resin，Spot-A Materials公司）。
科学家们对最终的结果十分满意。他们说：“我们已经开发出能够模拟类似章鱼触手那样具有肌肉流体静力功能（而非机构）的成对的对抗性致动器。这些气动执行器的运动能力是类似活的肌肉组织的好几倍。”他们在论文中写道。康奈尔的团队认为，这些原则可以应用于3D打印具有完整复杂肌肉结构的单一整体对象，从而具有广泛的潜在应用。“这对组合可用于创建任意复杂的驱动系统，而且这一系统可以使用3D打印技术作为一个单一的整体一次性打印出来。由于其设计精巧，这些装置的柔顺性堪比一些生物组织，该DMP-SL 3D打印系统是唯一适合于开发能够模仿生物系统并与之互动的软机器人的技术。”他们说。
以下是视频介绍，大家可以看看：
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